基于冻土动荷载直剪仪的高温冻土动力特性研究

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1、基于冻土动荷载直剪仪的高温冻土动力特性研究第一章绪论1.1选题背景及研究意义冻土一般是指温度在0°C或0°C以下，并含有冰的各种岩土和土壤⑴。而通常高于-1°C的冻土则被称为高温冻土，高温冻土的冻结深度较低。季节冻土是夏天融化冬天冻结，而多年冻土能够保持冻结状态三年或三年以上。冻土是一种特殊土类，它不仅具有一般土的共性，而且由于冰的存在，具有鲜明的个性。这主要表现在它的性质不仅取决于颗粒的矿物和机械成分、密度、含水量，温度对其的影响非常明显。由于气候季节变化，引起土温的变化是不

2、可避免的。因此，冻土的性质随时都是在变化的，表现为动态特性。全球陆地面积的23%为多年冻土区，其中，我国拥有全世界冻土面积的10%左右，居世界第三位，约占我国领土面积的22.4%。伴随着西部大开发的展开，水利工程、道路工程、工业与民用建筑工程和險道工程等各个方面的建设全面开花，其中很大一部分都属于寒区工程。在多年冻土区内的工程项目，要首先考虑冻土这一特殊的工程地质1.2研究现状对常规土体而言，土的动力学研究已经取得了长足的进步，但是，对作为特殊土体的冻土来说，冻土动力学研究仅仅还处于起步阶段，还需要大

3、量的理论和实验来完善这一体系。冻土是一种复杂的材料，由于冰的存在，其自身具有较强的流变性，当动荷，在此基础上，我国已经成功完成了诸如青藏铁路、青藏公路、光纤通讯工程、格尔木至拉萨输油管线、青康公路等著名工程。在解决各类冻土问题中，冻土的系统研究具有重大的经济、政治意义。其中，青藏铁路、青藏公路、西电东送、西气东输等一批具有重大战略意义的项目均有冻土方面的问题。自1954年始建以来，青藏公路一直是进出藏最主要通道上唯一的运输线，承担着67%的客运量以及85%-90%的进出西藏物资货运量，对西藏地区的社会

4、发展、政治稳定、经济繁荣、民族团结和我国的西南边防建设起到了决定性的作用，被誉为西藏的生命线。之后的青藏铁路全长1142公里，格拉段东起青海格尔木，西至西藏拉萨，其中新建线路1110公里，于2001年6月29日正式开工。其中多年冻土地段550公里，海拔4000米以上的路段960公里，铁路最高点海拔5072米翻越了唐古拉山，是世界上在冻土上路程最长、海拔最高、克服了世界级困难的高原铁路。以青藏公路、铁路为代表的多年冻土地区工程技术是世界冻土工程的宝贵财富。青藏公路与青藏铁路的设计、施工工程，是冻土地区筑

5、路技术研究的最大的实验工程。.1.2研究现状对常规土体而言，土的动力学研究已经取得了长足的进步，但是，对作为特殊土体的冻土来说，冻土动力学研究仅仅还处于起步阶段，还需要大量的理论和实验来完善这一体系。冻土是一种复杂的材料，由于冰的存在，其自身具有较强的流变性，当动荷载作用在冻土上时，即使动荷载的幅值和频率保持不变，随着时间的增加其变形也会不断加大，这不断体现了动荷载的疲劳效应，也体现着冻土的螺变效应。同时，由于温度的变化，常常使冻土体内部处于动态变化之中。因此，冻土动力学研究将比常规土动力学更加复杂、

6、艰难。国外冻土力学的研究始于20世纪30年代的前苏联，从60~70年代开始，以H-A.Tsytovich和Viyalov为代表，在冻土力学方面年代取得了大量的成果。崔托维奇（H'A.Tsytovich)著有《冻土力学》书，该书提出了解决实际工程问题的方法，系统地论述了冻土力学的基本现状、变形特征、冻土强度等，其冻土研究（提出了冻土的瞬时三轴强度、单轴强度等概念，尤其是冻土的流变特性及最基本的本构关系）一直处于世界领先地位。第二章新型冻土动荷载直剪试验系统研制2.1新型冻土动荷载直剪试验系统研制

7、的背景和目标目前，国内学者测试冻土的动力特性绝大部分采用冻土三轴试验。徐学燕等利用低温振动三轴MTS-810在大量低温三轴试验的基础上给出了冻土的应力-应变关系、参数及动弹性模量，在国内首次计算出了冻土的动泊松比的数值；另志堪基于地震动荷载作用下冻土的动三轴试验，采用振动三轴材料试验机(MTS-810),定量研究了重塑冻结兰州黄土的动本构模型、动弹性模量在不同温度（-2、-5、-7、-lOD下的变化规律，建立了相应的温度影响模型；赵淑萍等利用振动三轴材料试验机MTS-810,以恒应力幅值动荷载试验方式

8、，发现冻土的动弹性模量随频率的增加或温度的降低而增加，冻土的动阻尼比随频率的增加或温度的降低而减少的特性；张淑娟等_利用MTS-810振动三轴材料试验机，在围压为0.3-16MPa,频率为2Hz，温度为-4、-6°C条件下，通过系列恒应力幅循环动荷载试验，发现冻土动强度的变化不仅跟破坏振次的大小存关，而且与围压、循环荷载作用下土体吸收的有效能量（损失能）之间也存在一定关系。国内大部分试验都是通过振动三轴仪（MTS)的相关试验获取数据从而进行分析的